2018 Fiscal Year Annual Research Report
理論と実験の結合による新規反強誘電性層状酸化物の開拓と結晶化学的チューニング
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18H01892
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| Research Institution | Kyushu University |
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Principal Investigator |
赤松 寛文 九州大学, 工学研究院, 准教授 (10776537)
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| Project Period (FY) |
2018-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 反強誘電体 / 第一原理計算 / セラミックス / 結晶化学 / 層状ペロブスカイト |
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| Outline of Annual Research Achievements |
反強誘電体に電場を印加すると、反並行に整列していた電気双極子が同じ向きに揃う。この特徴的な挙動を活かして、パワーデバイスや電気エネルギー貯蔵材料への応用が期待されている。こうした応用には、用途毎に特性をチューニングする必要があるが、現状ではそれが可能な反強誘電体の設計指針が確立されているとは言えない。
本研究では、層状ペロブスカイト酸化物の化学組成のバリエーションの豊富さと、層状構造の本質ともいえる層間のデカップリングに着目し、高いチューナビリティを実現する新規反強誘電体を開拓することを目的とする。第一原理計算によるスクリーニングを行った後、候補物質の合成・構造解析・誘電特性評価を行い、反強誘電性および相転移温度・電場の組成依存性を実験的に評価する。その結果を結晶化学的に理解することにより、自在な特性チューニングの指針を確立するとともに、層状物質における構造物性相関の学理の構築に繋げる。
本年度はまず、第一原理計算を用いてDion-Jacobsen型層状ペロブスカイトCsNdNb2O7およびRbNdNb2O7の最安定構造を探索し、その化合物の合成とキャラクタリゼーションを行なった。第一原理計算から、これらの物質では反極性構造と極性構造の全エネルギーが計算誤差の範囲内で一致し、反強誘電体になりうることが予想された。これらの物質を固相反応法により合成し、放射光X線回折による結晶構造解析、光第二高調波測定、および電気特性評価を行なった。結果として、強誘電性を示すことがわかった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
第一原理計算を用いて、Dion-Jacobsen型層状ペロブスカイト酸化物CsNdNb2O7およびRbNdNb2O7の最安定構造を探索した。まずは八面体回転をもたない母構造モデル（空間群:P4/mmm）を作成し、その格子定数および原子位置を十分に緩和させた後、フォノン周波数を計算し、虚数振動数をもつ不安定モードを追跡していくことで安定構造を探索した。その結果、反極性構造と極性構造の全エネルギーが計算誤差の範囲内で一致することがわかった。このことは、これらの物質が反強誘電体になりうる可能性を示唆する。
続いて、これらの物質の合成、構造解析、誘電特性評価を行った。固相反応法により単相の試料を得ることができた。次に、放射光X線回折測定を行い、リートベルト法を用いて精密構造解析を行った。その結果、いずれの物質の結晶構造も極性空間群に属することがわかった。また、光第二高調波測定により中心対称性が消失していることがわかった。P-E測定の結果からこれらの物質が強誘電性を示すことがわかった。
このように、まだ反強誘電体を合成するところには至っていないものの、反強誘電体になりうる物質群の検討がついたと言える。
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| Strategy for Future Research Activity |
これまで取り扱ってきたDion-Jacobsen型層状ペロブスカイト酸化物CsNdNb2O7およびRbNdNb2O7は反強誘電体に近いところにある。よって、この組成の近辺を元素置換や固溶体合成により探索する。また、別の層状ペロブスカイトであるRuddlesden-Popper型A2A’B2O7についても、第一原理計算を用いて安定構造探索を行い、反強誘電体になりうるかを検討する。
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